作者：王 曦 王立德 刘 彪 丁国君
0 导言
内燃机车在实践运用中仍占有很大的比重，比如在货运及调车作业方面发挥着重要的效果，且跟着科学技能的开展，对机车的可靠性，安全性及高效性提出了更高的要求。因而，依据内燃机车的新设备的开发和研讨很有必要。
现在，我国大多数内燃机车逻辑操控电路选用继电器有触点操控，有触点电器毛病率高，长期运用简单导致动、静触头接触不良甚至不导通，更严峻的是，机车运转中的激烈振荡或许引起操控电路的误动作，给行车带来风险。此外，传统有触点操控电路接线杂乱，给布线，维护和检修带来了很大的不方便，且操控体系的通用性和灵活性差，当机车的操控功用或操控进程需做修改时，有必要从头布线。
本文介绍的内燃机车逻辑操控模块的规划，首要对内燃机车的操控逻辑进行剖析优化，然后规划能够彻底替代原有逻辑操控功用的 IP核，在此根底上运用 SOC技能并结合电力电子技能替代了机车上继电器和接触器的辅佐触点，最大极限地简化了传统的有触点操控电路，减少了外部连线，提高了体系的可靠性和规划制作的灵活性，缩短了内燃机车规划调试的时刻，完结了操控体系的通用性。 1 逻辑操控模块的全体结构
内燃机车逻辑操控模块由输入、输出、操控、电源这四个部分组成(如图 1所示)。每个模块包含两套结构和功用彻底相同的体系，每一套体系都能独立作业。同一时刻，一个逻辑操控模块中只要一套体系进行作业，另一套体系备用，由模块上的电源转化开关在两套体系之间进行切换。
整个体系包含逻辑操控模块，司机室显现屏，检测仪，数据收集模块四种节点，在实践运转中，逻辑操控模块需求向显现屏传输本身状况等数据信息用于显现，而且还要接纳检测仪的 守时查询，因而它还承担着接纳和发送信息的使命，所以在规划中参加了 CAN总线操控器，经过 CAN总线跟其它节点进行信息交互。
逻辑操控模块的硬件规划
2.1 输入与输出电路的规划
输入电路用于收集机车上各条操控线路的信号，因而整个输入电路由若干路结构相同的输入通道组成，如图 2所示。
输入通道收集的信号来自内燃机车上的 110V线路，110V的直流信号经过降压处理后，经过光耦阻隔和施密特触发器(74HC14)整形和滤波，生成 CPLD能够处理的信号，然后传输给CPLD，为 CPLD进行逻辑判别和操控供给相应的线路信息。
输出电路也由若干条结构相同的输出通道组成，用于驱动内燃机车上的接触器及操控一些用电设备(如干燥器，指示灯等)的注册和关断。输出通道的结构如图 2所示。
CPLD以原有的逻辑操控电路为根底，依据输入信息进行逻辑判别和处理后输出各种操控信号，输出的操控信号电压为3.3V，不足以驱动MOSFET，因而，首要经过驱动芯片 ULN2004将操控信号扩大到 7V左右，然后运用原副边比1：3的变压器扩大到 20V左右以到达能够驱动 MOSFET的电压等级。该变压器除起到信号扩大效果外，还起到了维护和阻隔的效果，进一步提高了整个体系的安全性和可靠性。CPLD输出的操控信号经过一系列处理后经过操控MOSFET的开断完结了对机车上的接触器及用电设备的操控。
2.2 操控电路的规划
操控电路首要由两部分组成，一是以 CPLD为中心的机车逻辑判别和操控部分，一是以单片机和 CAN操控器为中心的通讯操控部分。操控电路的结构如图 3所示。
本次规划中运用Lattice公司ispMACH4000系列的LC4512V型CPLD，ATMEL公司的 89C52单片机，选用 Philips的 CAN操控器 SJA1000及 CAN收发器PCA82C250。因为 CPLD内部资源有限，为节约对晶振分频所消耗的资源，选用外部 100HZ的时钟产生器，该时钟产生器由NE555芯片构成，为 CPLD供给核算时刻的根本时钟，用于逻辑操控中的延时和信号滤波。CPLD电源为 5V转 3.3V的电源芯片LM3940，为 CPLD供给安稳的 3.3V电压。单片机外接 5V电源。CPLD将需求传输的信息传递给单片机(MCU)，再由单片机操控通讯部分完结发送使命。PCA82C250是 CAN操控器和物理传输线路之间的接口，供给了对总线的差动接纳和差动发送才能，为了增强体系的抗搅扰才能，在 SJA1000和 PCA82C250之间运用光耦 6N137以完结电气阻隔，在通讯操控部分运用 B0505阻隔电源模块。
2.3 体系电源介绍
逻辑操控模块上分为四个电压等级，分别是110V，12V，5V，3.3V。其间 110V为机车操控电路电压，为逻辑操控模块的电源模块供给安稳的输入电压;12V为驱动芯片 ULN2004供给电源;5V给单片机及外围电路供电;3.3V给 CPLD及输入阻隔电路供电。
12V和5V是选用标准化的机车专用电源模块将 110V电压改换得到，该电源模块的输入
输出均选用相应的维护，供给体系作业所需的两路电压。3.3V由电源芯片 LM3940转化得到。 逻辑操控模块的软件规划 逻辑操控模块的软件规划包含机车逻辑操控 IP核规划及 CAN通讯的程序规划。
3.1 机车逻辑操控IP核规划
本体系选用SOC 技能规划，将信号收集，处理，操控，存储，传输等功用在一块 CPLD上完结，该体系完结的条件是机车逻辑操控 IP核的运用。机车逻辑操控 IP核选用 Verilog言语编制，运用Verilog-HDL规划，选用自顶向下的规划办法，把本体系分为几个根本模块(如图 4所示)，再将每个根本模块划分为下一层次的根本模块，直到能用 PLD器材结构相对应的逻辑单元来完结。
在输入模块的规划中，为每一个输入信号设置一个输入状况寄存器，用于存储各输入信号状况;并设置一个输入缓冲区。整个输入模块的功用便是读取输入信号状况，并将其置入输入缓冲区，其作业流程如图六所示。相同，在输出模块的规划中，为每一路输出也设置一个状况寄存器，并设置一个输出缓冲区。输出子模块的首要功用便是从输出缓冲区中读取输出状况并将其输出。
功用模块首要用来完结逻辑功用的完结。该模块中依据机车原有的逻辑操控电路生成了各种虚拟继电器和接触器，执行时首要从输入缓冲区中读出各输入状况，假如有延时联系，还得从延时模块中读取相应的参数;然后调用各种虚拟继电器或接触器判别逻辑联系的建立与否;如逻辑联系建立则将相应的输出状况寄存器置“1”，不然置“0”。
延时模块用来完结相应时刻继电器功用的，当有延时信号到来时，发动延时模块，首要初始化各寄存器并设置延时值，然后开端计时。假如延时信号在延时时刻到后还存在，则设置延时缓冲区参数;不然完毕延时进程。
数据传输模块完结CPLD和单片机之间的数据传输，CPLD将相应的数据存储在寄存器中并映射到单片机的地址空间，单片机将 CPLD作为外设进行读写操作。
3.2 CAN通讯程序规划
内燃机车逻辑操控模块作为整个检测操控模块中的一个节点，需求同其它节点进行信息交互，交互的数据包含逻辑操控 IP核功用模块中生成的虚拟继电器，接触器的状况信息及毛病信息。本规划中选用 CAN总线作为数据传输的前言。
逻辑操控模块在三种条件下对外部发送信息。
1 没有接纳到外部恳求及本身数据信息没产生改动的条件下守时对外部发送数据。经过单片机内的守时器完结。
2 当需求传输的数据产生改动时，马上对外部发送数据。单片机在每一个 While循环中检查数据的状况，如数据产生变化则调用发送函数发送数据。
3 当接纳到外部恳求时，马上对外部发送数据。在接纳函数中对接纳到的数据进行校验，正确后接纳，再依据定好的协议得到方针节点地址并判别是否是恳求数据发送，假如是则调用发送函数向方针节点发送数据。
CAN通讯的主程序流程图如图 5所示。
4 逻辑操控模块抗搅扰规划
因为机车运转环境的特殊性，对逻辑操控模块的安稳性和抗搅扰才能有更高的要求。在体系的输入端参加光耦器材进行阻隔，在输出端参加变压器进行阻隔，这样既提高了体系的抗搅扰才能，又进一步确保了体系的安全。一起经过运用施密特触发器，参加硬件滤波，能够有效地按捺幅值较小，继续时刻较长的搅扰信号，关于继续时刻短，幅值较大的搅扰信号的处理，经过在芯片内部用 Verilog引进滤波时钟和软件滤波模块完结数字滤波。 5 结语
内燃机车逻辑操控模块运用 SOC技能完结了传统的继电器操控电路的可编程无触点操控，大大减少了操控电路的机械触点和布线，简化了机车操控电路的规划、出产和调试进程，提高了操控体系可靠性，而且能够方便地用硬件描绘言语完结各种操控功用，具有很强的灵活性和通用性。无触点操控是内燃机车电气操控体系的开展方向。
本文作者的立异点：选用 SOC技能，规划和运用内燃机车逻辑操控 IP核替代了原有的有触点操控体系，大大提高了逻辑操控体系的通用性和可靠性，简化了布线和出产调试进程。在通讯方面，用 CAN总线替代了机车上原有的串口通讯，提高了通讯功率和安稳性。
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